持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置及测试方法，装置包括持续荷载加载装置、氯盐快速腐蚀装置以及测控装置。通过加载框架和驱动装置施加持续荷载，向密封固定于试验梁中上部的框体中充置氯盐溶液，采用空气泵向氯盐溶液持续注入空气，对试验梁钢筋通以直流电流实施快速腐蚀。主控制箱集成相关数据采集仪、电化学测试仪及输出设备，通过单片机统一控制，实时量测持续荷载并定期校正至目标水平，定期测试受腐蚀构件的腐蚀行为，实时采集、显示、存储并打印输出数据。本发明能够有效模拟在役钢筋混凝土结构构件在氯盐环境与荷载耦合作用下的实际腐蚀工况，为海洋、盐湖等氯盐环境下工程结构的耐久性评估提供科学依据。
【专利说明】持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置及方法，属于验测钢筋混凝土腐蚀程度【技术领域】。
【背景技术】
[0002]我国海岸线漫长，盐溃土地区分布广泛，大量的钢筋混凝土(RC)结构经受着较为严重的氯盐环境侵蚀，从而导致结构内部钢筋锈蚀、耐久性下降。在正常使用阶段，海洋、盐湖等氯盐环境下钢筋混凝土构件总是经受着荷载与氯盐侵蚀的耦合作用，构件内部钢筋锈蚀导致钢筋截面损失与构件刚度下降。同时，荷载的耦合作用使钢筋承受拉应力，并可能导致混凝土开裂，这些因素均会加剧钢筋锈蚀并劣化钢筋与混凝土间的界面粘结性能。因此，为了有效评估钢筋混凝土构件的耐久性能，开展氯盐侵蚀与荷载耦合作用下的钢筋混凝土构件的劣化机制研究是非常必要的一个环节。
[0003]需要指出，在实际环境中，氯盐侵蚀导致钢筋混凝土构件中钢筋发生锈蚀需要很长时间。因此，为了探究氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的劣化机理，在实验室研究中一般采用外接直流电源加速氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的试验方法。外加直流电的氯盐腐蚀速率主要由腐蚀电流密度控制，专利CN 101620062 B发明了一种控制标准混凝土棱柱体试件中钢筋锈蚀速度的试验方法，通过控制钢筋表面的通电电流密度、电压及时间，实现同一环境条件下多根钢筋锈蚀程度控制，同时采用统计方法得到钢筋锈蚀程度随电压、电流强度的变化规律，进而计算得到钢筋自然锈蚀与钢筋加速锈蚀之间存在的速率关系。
[0004]对于耦合荷载与氯盐腐蚀耦合作用的试验研究，耦合荷载一般通过配重方式予以施加。然而，配重方式所施加的荷载水平有限，对于一些承载能力较高的构件，采用此方法较难达到其在役结构构件的正常荷载水平。因此，有必要研发耦合荷载作用下氯盐腐钢筋混凝土构件的试验装置，以施加较高持续荷载水平，研究不同耦合荷载水平对氯盐腐蚀过程的影响，为海洋、盐湖等氯盐环境下钢筋混凝土结构构件的劣化机制与耐久性评估提供科学依据。
【发明内容】
[0005]目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置及方法。
[0006]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，包括:持续荷载加载装置、氯盐快速腐蚀装置、测控装置；
所述持续荷载加载装置包括:加载框架、加载驱动装置；所述加载框架包括:下横梁、上横梁、试验梁支撑架、反力梁、加载框架螺杆、螺帽、边支座，上横梁、试验梁支撑架、下横梁两端由四根加载框架螺杆依次穿孔连接组成井字型框架结构；反力梁两端固定于两根下横梁上方；边支座固定于上横梁下方；所述加载驱动装置包括:千斤顶、荷载传感器、分配梁；所述千斤顶固定于反力梁中部，千斤顶顶部设置有荷载传感器，荷载传感器顶部设置有球铰支座，球铰支座顶部设置分配梁，分配梁顶部两端对称设置有滚轴加载板。
[0007]所述氯盐快速腐蚀装置包括:直流电源、氯盐溶液盛放框、腐蚀阴极及空气泵；所述氯盐溶液盛放框密封固定于试验梁中上部；所述直流电源负极连接有腐蚀阴极；所述空气泵连接有输气软管。
[0008]所述测控装置包括:电化学测试仪、荷载测试装置、挠度测量装置、主控制箱；所述荷载测试装置包括:荷载传感器、荷载采集仪；所述挠度测量装置包括:位移计、位移采集仪；所述位移计通过位移计定位块固定于角钢中部，所述角钢通过螺杆与试验梁侧面相连接；所述主控制箱内设置有电化学测试仪、直流电源、荷载采集仪、位移采集仪、空气泵、单片机，电化学测试仪正输入端口与主控制箱A端口相连接，电化学测试仪负输入端口控制箱B端口相连接；直流电源正极与主控制箱A端口相连接，直流电源负极与主控制箱B端口相连接；空气泵出气口与主控制箱C端口相连接；位移采集仪输入端口与主控制箱D端口相连接；荷载采集仪输入端口与主控制箱E端口相连接；所述主控制箱A端口通过导线与试验梁的纵筋相连接，主控制箱B端口通过导线与腐蚀阴极相连接，主控制箱C端口与输气软管相连接，主控制箱D端口通过数据线与位移计相连接，主控制箱E端口通过数据线与荷载传感器相连接；电化学测试仪、直流电源、荷载采集仪、位移采集仪、空气泵的控制端均与单片机相连接；所述单片机与输出设备相连接，可实时采集、显示、存储并打印输出测量数据。
[0009]所述下横梁、上横梁、反力梁的截面设置为箱型结构。
[0010]所述加载框架螺杆采用高强低松弛钢棒材质，直径设置为30-80 mm。
[0011]所述氯盐溶液盛放框采用有机玻璃材质，氯盐溶液盛放框上边缘高于试验梁顶面30-80 mm,侧面底边缘低于试验梁中纵向钢筋20-80 mm,氯盐溶液盛放框底边缘与试验梁通过粘结剂密封；氯盐溶液盛放框底面两端均设置有直径为8-15_的溶液排出孔。
[0012]所述试验梁的纵筋的端部设置有通孔，连接导线通过螺钉与通孔相连接；试验梁的纵筋两端均裹覆环氧树脂浸溃的纱布。
[0013]所述主控制箱C端口与多条输气软管相连接，输气软管通至氯盐溶液盛放框底部，相邻输气软管排气端口的间距设置为200-500 mm。
[0014]所述主控制箱A端口、B端口均设置为3档调节旋钮，分别为直流通电档位、断电空挡位和电化学测试档位。基于持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置的测试方法，包括以下步骤:
步骤一:调整试验梁支架位置，使其距上横梁下部边支座距离大于试验梁高度，然后调节支架定位螺帽使试验梁与边支座凸弧面相接触，并将试验梁中心线对正边支座中心线；步骤二:依次安装千斤顶、荷载传感器及球铰支座，并将分配梁置于球铰支座上方，对应于试验梁纯弯区加载点，在分配梁上对称布置滚轴加载板，并使滚轴加载板与试验梁之间略微保持间距；
步骤三:将固定位移计的角钢对称布置于试验梁两侧，并将位移计定位于试验梁跨中相应位置；
步骤四:将氯盐溶液盛放框固定于试验梁中上部，并在氯盐溶液盛放框内充置氯盐溶液至目标液面高度，连接空气泵输气软管至溶液底部，检查氯盐溶液盛放框的密封状况；步骤五:在试验梁顶面设置腐蚀阴极，并通过导线将腐蚀阴极、试验梁的钢筋分别与直流电源的负极和正极相连接。
[0015]步骤六:缓慢顶升千斤顶使滚轴加载板与试验梁接触，检查荷载作用位置偏差情况、加载框架各部件运行状况正常下，继续稳步施加荷载至设计持续荷载水平，同时通过置于控制箱内的电化学测试仪、荷载测试装置、挠度测量装置实时采集、存储加载阶段的荷载与变形，并通过输出设备实时监测其荷载-挠度变形曲线；
步骤七:在进入持载阶段后，接通直流电源并调节至目标电压或电流，开始持续荷载作用下的氯盐腐蚀过程；在此期间，通过空气泵持续对溶液输送空气，保证溶液中有足够的氧气以供试验梁中钢筋发生腐蚀电化学反应；同时，根据实测荷载每隔12-48小时校正所施加的持续荷载至目标水平，保证持续荷载稳定一致；
步骤八:在腐蚀期间，将盛有同等浓度氯盐溶液的蒸发皿放置于上横梁顶面，定期采用精度为0.01 g的天平称重，测定氯盐溶液的蒸发率，并根据实测蒸发率往腐蚀试验的氯盐溶液中添加相应量的水，保持氯盐溶液浓度在腐蚀阶段基本恒定，保证试验数据的可靠性；
步骤九:在腐蚀期间，定期观测试验梁底面及侧面的锈斑状况以及锈胀裂缝的开展形态；
步骤十:进行电化学腐蚀参数测试时，需要将主控制箱中的电化学测试仪与直流电源共用的接线柱旋钮调节至电化学测试档位，调节时要先将旋钮调节至断电空档位，然后再调至电化学测试档位；测试结束后，再重新旋至直流通电档位，继续氯盐腐蚀试验；
步骤十一:定期通过电化学测试系统测量并存储不同持续荷载水平及腐蚀水平下的腐蚀电位、极化电阻以及交流阻抗谱，以表征腐蚀电化学行为；其次，选择合理的等效电路进行钢筋混凝土构件的阻抗谱解析，得到混凝土保护层电阻、电荷转移电阻和钢筋表面双电层电容等参数，分析其变化规律以及耦合荷载水平对这些参数的影响；
步骤十二:腐蚀周期t可根据法拉第定律式初步计算
【权利要求】
1.一种持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，包括:持续荷载加载装置、氯盐快速腐蚀装置、测控装置，其特征在于: 所述持续荷载加载装置包括:加载框架、加载驱动装置；所述加载框架包括:下横梁、上横梁、试验梁支撑架、反力梁、加载框架螺杆、螺帽、边支座，上横梁、试验梁支撑架、下横梁两端由四根加载框架螺杆依次穿孔连接组成井字型框架结构；反力梁两端固定于两根下横梁上方；边支座固定于上横梁下方；所述加载驱动装置包括:千斤顶、荷载传感器、分配梁；所述千斤顶固定于反力梁中部，千斤顶顶部设置有荷载传感器，荷载传感器顶部设置有球铰支座，球铰支座顶部设置分配梁，分配梁顶部两端对称设置有滚轴加载板； 所述氯盐快速腐蚀装置包括:直流电源、氯盐溶液盛放框、腐蚀阴极及空气泵；所述氯盐溶液盛放框密封固定于试验梁中上部；所述直流电源负极连接有腐蚀阴极；所述空气泵连接有输气软管； 所述测控装置包括:电化学测试仪、荷载测试装置、挠度测量装置、主控制箱；所述荷载测试装置包括:荷载传感器、荷载采集仪；所述挠度测量装置包括:位移计、位移采集仪；所述位移计通过位移计定位块固定于角钢中部，所述角钢通过螺杆与试验梁侧面相连接；所述主控制箱内设置有电化学测试仪、直流电源、荷载采集仪、位移采集仪、空气泵、单片机，电化学测试仪正输入端口与主控制箱A端口相连接，电化学测试仪负输入端口控制箱B端口相连接；直流电源正极与主控制箱A端口相连接，直流电源负极与主控制箱B端口相连接；空气泵出气口与主控制箱C端口相连接；位移采集仪输入端口与主控制箱D端口相连接；荷载采集仪输入端口与主控制箱E端口相连接；所述主控制箱A端口通过导线与试验梁的纵筋相连接，主控制箱B端口通过导线与腐蚀阴极相连接，主控制箱C端口与输气软管相连接，主控制箱D端口通过数据线与位移计相连接，主控制箱E端口通过数据线与荷载传感器相连接；电化学测试仪、直流电源、荷载采集仪、位移采集仪、空气泵的控制端均与单片机相连接；所述单片机与输出设备相连接，可实时采集、显示、存储并打印输出测量数据。
2.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述下横梁、上横梁、反力梁的截面设置为箱型结构。
3.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述加载框架螺杆采用高强低松弛钢棒材质，直径设置为30-80 _。
4.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述氯盐溶液盛放框采用有机玻璃材质,氯盐溶液盛放框上边缘高于试验梁顶面30-80_，侧面底边缘低于试验梁中纵向钢筋20-80 _，氯盐溶液盛放框底边缘与试验梁通过粘结剂密封；氯盐溶液盛放框底面两端均设置有直径为8-15mm的溶液排出孔。
5.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述试验梁的纵筋的端部设置有通孔，连接导线通过螺钉与通孔相连接；试验梁的纵筋两端均裹覆环氧树脂浸溃的纱布。
6.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述主控制箱C端口与多条输气软管相连接，输气软管通至氯盐溶液盛放框底部，相邻输气软管排气端口的间距设置为200-500 mm。
7.根据权利要求1所述的持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置，其特征在于:所述主控制箱A端口、B端口均设置为3档调节旋钮。
8.基于持续荷载下氯盐腐蚀钢筋混凝土构件的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤一:调整试验梁支架位置，使其距上横梁下部边支座距离大于试验梁高度，然后调节支架定位螺帽使试验梁与边支座凸弧面相接触，并将试验梁中心线对正边支座中心线；步骤二:依次安装千斤顶、荷载传感器及球铰支座，并将分配梁置于球铰支座上方，对应于试验梁纯弯区加载点，在分配梁上对称布置滚轴加载板，并使滚轴加载板与试验梁之间略微保持间距； 步骤三:将固定位移计的角钢对称布置于试验梁两侧，并将位移计定位于试验梁跨中相应位置； 步骤四:将氯盐溶液盛放框固定于试验梁中上部，并在氯盐溶液盛放框内充置氯盐溶液至目标液面高度，连接空气泵输气软管至溶液底部，检查氯盐溶液盛放框的密封状况；步骤五:在试验梁顶面设置腐蚀阴极，并通过导线将腐蚀阴极、试验梁的钢筋分别与直流电源的负极和正极相连接； 步骤六:缓慢顶升千斤顶使滚轴加载板与试验梁接触，检查荷载作用位置偏差情况，加载框架各部件运行状况正常下，继续稳步施加荷载至设计持续荷载水平，同时通过置于控制箱内的电化学测试仪、荷载测试装置、挠度测量装置实时采集、存储加载阶段的荷载与变形，并通过输出设备实时监测其荷载-挠度变形曲线； 步骤七:在进入持载阶段后，接通直流电源并调节至目标电压或电流，开始持续荷载作用下的氯盐腐蚀过程；在此期间，通过空气泵持续对溶液输送空气，保证溶液中有足够的氧气以供试验梁中钢筋发生腐蚀电化学反应；同时，根据实测荷载每隔12-48小时校正所施加的持续荷载至目标水平，保证持续荷载稳定一致； 步骤八:在腐蚀期间，将盛有同等浓度氯盐溶液的蒸发皿放置于上横梁顶面，定期采用精度为0.01 g的天平称重，测定氯盐溶液的蒸发率，并根据实测蒸发率往腐蚀试验的氯盐溶液中添加相应量的水，保持氯盐溶液浓度在腐蚀阶段基本恒定，保证试验数据的可靠性； 步骤九:在腐蚀期间，定期观测试验梁底面及侧面的锈斑状况以及锈胀裂缝的开展形态； 步骤十:进行电化学腐蚀参数测试时，需要将主控制箱中的电化学测试仪与直流电源共用的接线柱旋钮调节至电化学测试档位，调节时要先将旋钮调节至断电空档位，然后再调至电化学测试档位；测试结束后，再重新旋至直流通电档位，继续氯盐腐蚀试验； 步骤十一:定期通过电化学测试系统测量并存储不同持续荷载水平及腐蚀水平下的腐蚀电位、极化电阻以及交流阻抗谱，以表征腐蚀电化学行为；其次，选择合理的等效电路进行钢筋混凝土构件的阻抗谱解析，得到混凝土保护层电阻、电荷转移电阻和钢筋表面双电层电容等参数，分析其变化规律以及耦合荷载水平对这些参数的影响； 步骤十二:腐蚀周期t可根据法拉第定律式初步计算，
式中，Am为钢筋质量损失…为铁的摩尔质量；1为腐蚀电流密度YL为离子电荷数(z=2) ；F为法拉第常数； 步骤十三:待腐蚀试验结束后，截取腐蚀区域内锈蚀钢筋，采用失重法计算钢筋锈蚀率，并统计回归试验数据得到持续荷载作用下钢筋锈蚀率的计算公式。
【文档编号】G01N3/08GK104132847SQ201410380371
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】侯利军, 陈达, 何良德, 黄挺, 冯兴国, 刘子涵 申请人:河海大学